HVDC換流閥閥塔漏水檢測裝置研制

鄭 力，張 翔，孟 佳，宋 戈，和 帥，張廣泰

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025）

0 引言

直流換流閥作為HVDC 輸電工程的核心設(shè)備，目前均采用強迫水冷系統(tǒng)對換流閥進(jìn)行冷卻，將換流閥閥塔內(nèi)部元件運行中產(chǎn)生的熱量帶出［1-6］，當(dāng)閥塔的水冷系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏情況時，會影響換流閥正常運行，危及直流輸電系統(tǒng)安全［7-9］。一種檢測漏水的方式是通過閥冷系統(tǒng)檢測其水箱液位的變化［10-12］，但更直接高效和準(zhǔn)確的是通過在閥塔底部設(shè)置漏水檢測裝置，直接收集并判斷閥塔是否產(chǎn)生漏水。它可以根據(jù)漏水流量的大小，向控制系統(tǒng)發(fā)出不同級別的報警信號（通常為輕微和嚴(yán)重兩種），從而大幅降低閥塔器件損壞的風(fēng)險，保證直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行［13］。

換流閥運行時晶閘管的周期關(guān)斷和開通導(dǎo)致閥塔內(nèi)電磁環(huán)境較為復(fù)雜［14］，且閥塔距離閥控設(shè)備間遠(yuǎn)，使用電信號傳遞漏水報警狀態(tài)，存在較大的信號損耗和干擾。因此，使用光纖進(jìn)行漏水狀態(tài)檢測和信號傳遞是目前主流的方式［15-17］。通常由換流站閥控相關(guān)設(shè)備發(fā)射光信號，經(jīng)由漏水檢測裝置返回，漏水檢測裝置檢測到漏水時將會阻斷光信號，控制保護(hù)設(shè)備接收不到信號便產(chǎn)生報警，并上報監(jiān)控后臺。

漏水檢測裝置主要由集水容器、檢測機構(gòu)組成。檢測機構(gòu)從原理上可分為3 類，分別利用水的折射反射［18-19］、浮力［20-22］及重力［23］檢測漏水的情況。其中文獻(xiàn)［20］所介紹的浮筒式漏水檢測裝置應(yīng)用較為廣泛，但此類漏水檢測裝置還存在一些問題和缺陷，無法完全滿足高壓直流輸電工程對換流閥可靠性、免維護(hù)性的要求［24］。具體來說，這類裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，因光檢測機構(gòu)安裝在浮塊上，為保證浮力足夠，浮塊體積設(shè)計得較大，長期運行下可能與容器底部或側(cè)面產(chǎn)生粘連，造成無法上浮的問題；另一方面光檢測機構(gòu)的光通道為了給浮塊導(dǎo)桿提供上下移動的空間，相當(dāng)長的一部分光路直接暴露于空氣中，光信號功率損耗大，且存在灰塵污漬遮擋隱患，長期使用可靠性可能降低；再者，這類裝置一般僅有一個出水孔，容器體積又比較大，對漏水流量判斷的精度和速度一般。

因此，有必要設(shè)計一種新的漏水檢測裝置，從結(jié)構(gòu)上規(guī)避上述問題，提高裝置檢測的可靠性，并增大漏水檢測的精度和速度。

1 設(shè)計原理

本文研制的漏水檢測裝置原理如圖2所示，浮子通過連桿連接在轉(zhuǎn)動軸上，該轉(zhuǎn)動軸安置在漏水檢測光模塊內(nèi)，當(dāng)浮力使浮子浮起時，轉(zhuǎn)動軸將旋轉(zhuǎn)。軸內(nèi)開有通光孔，通光孔在軸初始狀態(tài)下可讓光信號通過。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，通光孔與轉(zhuǎn)動軸體發(fā)生錯位，達(dá)到一定角度后，光信號徹底無法通過，相關(guān)控制保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生報警信號。浮子轉(zhuǎn)動的角度越大，代表漏水引起的液位上升越高，漏水的情況越嚴(yán)重。因此可以通過設(shè)計好軸內(nèi)通光孔的徑向尺寸，來確定遮光時浮子轉(zhuǎn)動的角度，檢測出漏水的情況。該原理的好處是，光檢測機構(gòu)被密封在轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，不受外部環(huán)境干擾；浮子僅需帶動軸轉(zhuǎn)動，不需要提供很大的浮力，其尺寸和容器體積都可以做小。

圖2 漏水檢測裝置原理示意圖Fig.2 Principle diagram of leakage detection device

方便下文討論，按照浮子繞軸轉(zhuǎn)動的角度劃分光信號通斷情況，定義浮子自由垂直向下時角度為0°，浮子開始上浮繞軸轉(zhuǎn)動的角度在45°產(chǎn)生輕微漏水報警，對應(yīng)液位高度的漏水流量為10 L/h；角度在60°時產(chǎn)生嚴(yán)重漏水報警，對應(yīng)漏水流量為15 L/h，光模塊轉(zhuǎn)動軸內(nèi)的通光孔的開孔方向及徑向尺寸按該要求進(jìn)行布置。

1.1 力學(xué)分析

浮子能否正常上浮和下落是實現(xiàn)漏水檢測裝置功能的關(guān)鍵。浮子的上浮，主要考慮水淹沒浮子部分體積后，浮子所得到的浮力，能克服其自身和連桿的重力，加上其形成的法向轉(zhuǎn)矩大過轉(zhuǎn)動軸摩擦轉(zhuǎn)矩，從而形成旋轉(zhuǎn)運動。浮子的下落，主要考慮浮子與連桿的重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能夠大過此時轉(zhuǎn)動軸的摩擦轉(zhuǎn)矩，從而能自由下落，這兩個過程的受力分析如圖3所示。

圖3 浮子受力分析示意圖Fig.3 Force analysis diagram of float system

圖3 中，F(xiàn)f代表浮力，Gq、Gg、Gz分別代表浮子、連桿、軸的重力，Lg代表桿長度，Mzf代表上浮過程軸的總摩擦力矩，Mzl代表下落過程軸的總摩擦力矩，θ代表浮子連桿與豎直方向的夾角。

上浮過程：

為簡便計算，下落過程可不考慮浮力的影響，即水面完全落到浮子以下，此時：

一般來說滑動軸承更適合在高精度和小尺寸場合下使用，且其摩擦力矩通常比滾動軸承摩擦力矩要大，后者的計算也通常相當(dāng)復(fù)雜，這里先考慮按照更嚴(yán)苛的滑動軸承進(jìn)行力學(xué)分析［25］。定義μ為軸承的摩擦系數(shù)，滑動軸承下摩擦力矩計算公式如下：

式（3）中，Rz為軸半徑，F(xiàn)z為軸上所受力的總和。

結(jié)合圖3，上浮過程，軸的摩擦力矩為：

對式（1）、式（2）、式（4）和式（5）進(jìn)行研究分析，可知軸承的摩擦系數(shù)是決定系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵，該值過大將直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效；其次，浮子連桿的重量與其浮力需要適當(dāng)平衡，以避免上浮時浮力太大造成轉(zhuǎn)軸上合力過大，產(chǎn)生的摩擦力矩大過轉(zhuǎn)動力矩，轉(zhuǎn)動不了；還要避免浮子和連桿重量太小，下落時無法克服摩擦力矩，停留在一定的角度。

1.2 容器設(shè)計

一般漏水檢測裝置采用圓筒型容器用來集水，但以浮子繞軸運動的原理設(shè)計，圓筒型容器的一部分區(qū)域是無法利用到的，反而會增大液位上升時間。為了加快漏水報警響應(yīng)速度，需要對容器體積優(yōu)化，以減小非有效容積，可采用側(cè)視圖為弧形的容器，如圖4所示，圖4中R為容器圓弧半徑，h為液面高度，L為容器厚度。

圖4 集水容器示意圖Fig.4 Schematic diagram of water collecting container

為了將容器的液位高度檢測（也即浮子旋轉(zhuǎn)角度檢測）轉(zhuǎn)換為流量大小的檢測，需要在容器內(nèi)設(shè)置出水孔，圖4中畫了一個高度為d的出水孔?？椎拇笮?、高度決定了容器內(nèi)上升至任意液面對應(yīng)的最小漏水流量。

對圖4 容器內(nèi)的流體系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先按照薄壁小孔口恒定自由出流模型簡化［26］分析單個出水孔的流量，且不考慮水的表面張力的影響。假設(shè)流入的漏水流量為Q，出水孔面積A，出水孔對應(yīng)高度為d，流量系數(shù)為α，出水孔對應(yīng)流量q。d為0 時即代表出水孔在底部，d＞0 則代表出水孔在側(cè)面距底部高度d的位置。

設(shè)在某時間t時，只有一個出水孔的情況下，dt時間內(nèi)經(jīng)孔口排出的體積為：

當(dāng)容器內(nèi)有2 個出水孔時，每個出水孔對容器內(nèi)水的影響是獨立的，假設(shè)相對較低的小孔高度為d1，另一個為d2，面積相應(yīng)的為A1、A2，可以得到液面上升到H的用時是：

實踐中，為更好區(qū)分輕微、嚴(yán)重等級漏水，通過設(shè)計兩個不同高度的出水孔，優(yōu)化容器尺寸，減少漏水后的報警耗時。兩個出水孔中一個位于容器底部，以便在少量漏水結(jié)束后及時排出殘水，恢復(fù)正常的檢測功能。利用式（12）計算漏水流量在輕微報警門檻值10 L/h附近，不同底部出水孔半徑下，液位達(dá)到輕微漏水報警的耗時，如圖5所示。圖5中說明了小孔孔徑越大，報警時間越長，且底部出水孔超過某個孔徑后，當(dāng)前漏水流量就無法達(dá)到報警液位。

圖5 底部出水孔半徑與輕微漏水報警時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between radius of bottom outlet hole and alarm time of minor water leaks

容器底部選擇1 個半徑1 mm 的小孔，再利用式（12），可計算以15 L/h的流量漏水的情況下，側(cè)面出水孔為半徑r2的圓孔，高度d2時，產(chǎn)生嚴(yán)重漏水報警的耗時，繪制成的三維關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 側(cè)面出水孔半徑、高度與嚴(yán)重漏水報警時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between radius and height of side outlet hole and alarm time of serious leakage

圖6中可以看到，側(cè)面出水孔高度d2較小時，孔的半徑r2對嚴(yán)重漏水報警時間影響較大；高度d2較大時，該影響減弱，此時嚴(yán)重漏水報警門檻的液位離側(cè)面出水孔較近，小孔的大小改變程度對其能夠排出的水的流量影響減小了。而且，高度d2若超過輕微漏水報警門檻的液位，則側(cè)面出水孔與輕微漏水報警時間完全沒有關(guān)系。

最終按照兼顧報警門檻的準(zhǔn)確性和報警時間的及時性原則，選取了底部小孔半徑1 mm，側(cè)面出水孔高度35 mm半徑1 mm。

2 樣機研制

2.1 樣機設(shè)計

根據(jù)以上原理，并結(jié)合裝置在可靠性、免維護(hù)性上的要求，設(shè)計并試制了一款漏水檢測裝置樣機，裝置由以下部分組成：集水容器、帶轉(zhuǎn)軸的光模塊、浮子及其連桿、安裝板、附件等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of internal structure of the device

為增加免維護(hù)性，裝置頂部設(shè)計有密封蓋，進(jìn)水口設(shè)計有濾網(wǎng)，以防止灰塵、雜物進(jìn)入容器內(nèi)，堵塞出水孔，造成裝置工作異常。裝置底部開放了一個出水孔，側(cè)面設(shè)計了多個出水孔，根據(jù)實際應(yīng)用場合的需要，開放不同高度的出水孔，靈活調(diào)整報警流量門檻值。漏水檢測裝置通過光纖與閥基電子設(shè)備的接口裝置相連。為提高檢測可靠性，裝置配置了兩組獨立的檢測光通道，通過合理的邏輯設(shè)置，可以相互監(jiān)控，相互備用，降低漏報或誤報風(fēng)險，并提供單一光纖斷裂故障情況下的冗余功能［27-28］。

2.2 控制保護(hù)系統(tǒng)

漏水檢測控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)見圖8，閥基電子設(shè)備（VBE）接口裝置中光發(fā)射器發(fā)射出調(diào)制光信號，經(jīng)過漏水檢測裝置后返回到其接收器端。在漏水檢測裝置未檢測到漏水時，上述光路呈通態(tài)，系統(tǒng)不產(chǎn)生報警信號。當(dāng)漏水檢測裝置浮球上浮，檢測到一定流量的漏水時，上述光路被阻斷，使VBE 接口裝置的相應(yīng)光接收器無法收到光信號，進(jìn)而導(dǎo)致直流控保系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號，并在后臺操作員站上產(chǎn)生提示［29-34］。

圖8 漏水檢測系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of leakage detection system

3 試驗對比驗證

本文對舊款浮筒式及新研制款漏水檢測裝置在不同漏水流量下的輕微、嚴(yán)重漏水報警時間進(jìn)行了對比試驗，試驗搭建類似圖8的測試平臺。

漏水的模擬采用可調(diào)流量泵直接向容器內(nèi)注水，記錄從開始注水到產(chǎn)生報警的時間，得到如圖9 所示曲線。每組試驗里，若等待的時間超過500 s 未報警，則停止試驗，認(rèn)為此時已無法產(chǎn)生報警，不記錄數(shù)據(jù)。

圖9 不同等級通道報警時間對比Fig.9 Comparison of time spent between different alarm levels

試驗結(jié)果看，報警時間與流量的曲線呈現(xiàn)出反比例函數(shù)的趨勢。新款漏水檢測裝置輕微漏水報警的流量起始于9 L/h 左右，嚴(yán)重漏水報警的流量起始于14 L/h 左右，滿足預(yù)期流量門檻要求。從時間上看，10 L/h漏水下的檢測輕微漏水報警耗時為103 s左右，15 L/h 漏水下檢測到嚴(yán)重報警耗時為187 s，符合預(yù)期設(shè)計。相對于舊款，由于側(cè)面增加出水孔，底部小孔可做得更小，輕微流量漏水可以更快速度積累，報警耗時更短，而嚴(yán)重報警耗時兩者相當(dāng)。

根據(jù)試驗結(jié)果，研制的漏水檢測裝置滿足設(shè)計功能和準(zhǔn)確性要求，研制的漏水檢測裝置已成功在國內(nèi)特高壓換流閥工程上應(yīng)用，現(xiàn)場安裝如圖10所示。

圖10 安裝在換流閥閥塔內(nèi)的漏水檢測裝置Fig.10 Leakage detection device installed in a converter valve tower

4 結(jié)語

現(xiàn)有的換流閥閥塔漏水檢測裝置存在著可靠性差、誤報漏保現(xiàn)象多、維護(hù)要求高等問題。本文基于一種密封的光路通斷結(jié)構(gòu)，利用浮子連桿旋轉(zhuǎn)檢測液位的原理，對裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和校驗。測試結(jié)果顯示，本文研制的裝置樣機，可以準(zhǔn)確、快速地實現(xiàn)不同泄漏程度等級的漏水故障檢測報警，且具有密封性好、可靠性高、免維護(hù)性強的優(yōu)點。并且，根據(jù)本文總結(jié)的設(shè)計方法，可以針對不同工程對檢測流量的個性化需求進(jìn)行定制設(shè)計，可推廣性高。

目前，該裝置已在國內(nèi)工程中得到應(yīng)用，對提升換流閥設(shè)備整體可靠性起到了積極作用。